JP4629178B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導体(例えば、InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色LED、純緑色LEDの材料として、フルカラーLEDディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源で実用化されている。これらのLED素子は基本的に、サファイア基板上にGaNよりなるバッファ層と、SiドープGaNよりなるn側コンタクト層と、単一量子井戸構造(SQW:Single-Quantum- Well)のInGaN、あるいはInGaNを有する多重量子井戸構造(MQW:Multi-Quantum-Well)の活性層と、MgドープAlGaNよりなるp側クラッド層と、MgドープGaNよりなるp側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、20mAにおいて、発光波長450nmの青色LEDで5mW、外部量子効率9.1%、520nmの緑色LEDで3mW、外部量子効率6.3%と非常に優れた特性を示す。
多重量子井戸構造は、複数のミニバンドからなる構造を有し、効率よく、小さな電流でも発光が実現することから、単一量子井戸構造より発光出力が高くなる等の素子特性の向上が期待される。
例えば、多重量子井戸構造の活性層を用いたLED素子として、特開平10−135514号公報には、発光効率及び発光光度を良好とするため、少なくともアンドープのGaNからなるバリア層、アンドープのInGaNからなる井戸層からなる多重量子井戸構造の発光層、更に発光層のバリア層よりも広いバンドギャップを持つクラッド層を有する窒化物半導体素子が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の素子をLED素子として、照明用光源、直射日光の当たる屋外ディスプレイ等に使用するためには発光出力が十分満足できるものでない。このように多重量子井戸構造の活性層は、発光出力の飛躍的な向上が考えられるが、その予想される可能性を十分に発揮させ難い。
更にまた、窒化物半導体からなる素子は、その構造上、人体に生じる静電気より遥かに弱い100Vの電圧でさえも劣化する可能性がある。例えば、帯電防止処理された袋等から取り出す際、また製品に応用する際等、劣化する危険性が考えられる。窒化物半導体素子の信頼性をより高めるには、このような劣化の危険性をなくすことが望まれる。
そこで、本発明の目的は、多重量子井戸構造の活性層を用い種々の応用製品への適用範囲の拡大を可能とする発光出力のさらなる向上、及び静電耐圧の向上する窒化物半導体発光素子を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記(1)〜(6)の構成により本発明の目的を達成したものである。
(1)基板上に、n側窒化物半導体層、活性層及びp側窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、
前記活性層が、InaGa1-aN(0≦a<1)層を含む多重量子井戸構造であり、
前記n側窒化物半導体層が、
n型不純物を含むn側コンタクト層と、
n型不純物が互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する少なくとも2種類の窒化物半導体層が積層されてなるn側第1多層膜層と、
Inを含む第1の窒化物半導体層と、その第1の窒化物半導体層と異なる組成を有する第2の窒化物半導体層とが積層されてなるn側第2多層膜層と、を含み、
前記基板上にバッファ層を介して前記n側コンタクト層、前記n側第1多層膜層、前記n側第2多層膜層、前記活性層が順に具備されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
(2)前記p側窒化物半導体層が、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつp型不純物濃度が異なる又は同一の第3と第4の窒化物半導体層が積層されてなるp側多層膜クラッド層を含むことを特徴とする(1)記載の窒化物半導体素子。
(3)前記p側窒化物半導体層が、p型不純物を含みAlbGa1-bN(0≦b≦1)よりなるp側単一膜クラッド層を含むことを特徴とする(1)記載の窒化物半導体素子。
(4)前記n側第1多層膜層と活性層との間に、Inを含む第1の窒化物半導体層と、その第1の窒化物半導体層と異なる組成を有する第2の窒化物半導体層とが積層されたn側第2多層膜層を有する(1)〜(3)のうちのいずれか1項に記載の窒化半導体素子。
(5)前記n側コンタクト層が、アンドープGaN層の上に形成されてなることを特徴とする(1)に記載の窒化物半導体素子。
(6)前記窒化物半導体素子において、前記アンドープGaN層が低温成長させたGadAl1-dN(0<d≦1)からなるバッファ層上に形成され、更に前記p側多層膜クラッド層又はp側単一膜クラッド層上にp型不純物としてMgを含むp側GaNコンタクト層を形成してなる(5)に記載の窒化物半導体素子。
【0005】
つまり、本発明は、多重量子井戸構造の発光層を挟むように、n側にn型不純物濃度の異なる2種類以上の窒化物半導体層からなるn側第1多層膜層と、p側に第3及び第4の窒化物半導体層からなるp側多層膜クラッド層又はp型不純物を含みAlbGa1-bN(0≦b≦1)よりなるp側単一膜クラッド層とを組み合わせて形成することにより、発光効率を向上させ発光出力の向上した、さらに静電耐圧の向上した窒化物半導体素子を得ることができる。
このように特定の組成や構造等を有する複数の窒化物半導体層を組み合わせることにより、多重量子井戸構造の活性層の性能を効率良く発揮することができる。また、多重量子井戸構造の活性層との組み合わせで好ましい他の窒化物半導体層を以下に記載する。
【0006】
本発明において、前記n側第1多層膜層と活性層との間に、Inを含む第1の窒化物半導体層と、その第1の窒化物半導体層と異なる組成を有する第2の窒化物半導体層とが積層されたn側第2多層膜層を有すると更に発光効率が向上すると共に、Vfを低下させて発光効率を向上させることができ好ましい。
更に、本発明において、前記n側第1多層膜層より基板側に、n型不純物を含むn側コンタクト層を有すると、発光出力を向上させ、Vfを低下させるのに好ましい。
また更に、本発明において、前記n側コンタクト層が、アンドープGaN層の上に形成されてなると、かかるアンドープGaN層は結晶性の良い層として得られるので、n電極を形成する層となるn側コンタクト層の結晶性が良くなり、n側コンタクト層上に形成される活性層などのその他の窒化物半導体層の結晶性も良くなり、発光出力を向上させるのに好ましい。
また更に、本発明において、前記アンドープGaN層が、低温成長させたGadAl1-dN(0<d≦1)からなるバッファ層上に形成されていると、アンドープGaN層の結晶性が更に良好となり、n側コンタクト層等の結晶性もより良好となり、発光出力の向上において好ましく、更にまた、p側多層膜クラッド層又はp側単一膜クラッド層上にMgドープp側GaNコンタクト層を形成してなると、p型特性を得やすくなると共に、かかるp側GaNコンタクト層がこの上に形成されるp電極と良好なオーミック接触を有し、発光出力を向上させるのに好ましい。
また更に、本発明において、前記アンドープGaN層、n側コンタクト層、及びn側第1多層膜層の合計の膜厚が、2〜20μm、好ましくは3〜10μm、より好ましくは4〜9μmであると、静電耐圧の向上の点で好ましい。また上記範囲の膜厚であると静電耐圧以外の他の素子特性も良好である。また、上記3層の合計の膜厚は、各層の好ましい膜厚の範囲内で、3層の合計の膜厚が上記範囲となるように適宜調整される。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の構造を示す窒化物半導体素子の模式的断面図である図1を用いて、本発明を詳細に説明する。
図1は、基板1上に、バッファ層2、アンドープGaN層3、n型不純物を含むn側コンタクト層4、n型不純物を含むn側第1多層膜5、第1及び第2の窒化物半導体層よりなるn側第2多層膜層6、多重量子井戸構造の活性層7、第3及び第4の窒化物半導体層からなるp側多層膜クラッド層8又はp側単一膜クラッド層8、Mgドープp側GaNコンタクト層9が順に積層された構造を有する。更にn側コンタクト層4上にn電極11、p側GaNコンタクト層9上にp電極10がそれぞれ形成されている。
【0008】
本発明において、基板1としては、サファイアC面、R面又はA面を主面とするサファイア、その他、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性の基板の他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることができる。
【0009】
本発明において、バッファ層2としては、GadAl1-dN(但しdは0<d≦1の範囲である。)からなる窒化物半導体であり、好ましくはAlの割合が小さい組成ほど結晶性の改善が顕著となり、より好ましはGaNからなるバッファ層2が挙げられる。
バッファ層2の膜厚は、0.002〜0.5μm、好ましくは0.005〜0.2μm、更に好ましくは0.01〜0.02μmの範囲に調整する。バッファ層2の膜厚が上記範囲であると、窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり、バッファ層2上に成長させる窒化物半導体の結晶性が改善される。
バッファ層2の成長温度は、200〜900℃であり、好ましくは400〜800℃の範囲に調整する。成長温度が上記範囲であると良好な多結晶となり、この多結晶が種結晶としてバッファ層2上に成長させる窒化物半導体の結晶性を良好にでき好ましい。
また、このような低温で成長させるバッファ層2は、基板の種類、成長方法等によっては省略してもよい。
【0010】
次に、本発明において、アンドープGaN層3は、成長する際にn型不純物を添加せずに成長してなる層を示す。バッファ層2上にアンドープGaN層3を成長させるとアンドープGaN層3の結晶性が良好となり、アンドープGaN層3上に成長させるn側コンタクト層4などの結晶性も良好となる。アンドープGaN層3の膜厚としては、0.01μm以上であり、好ましくは0.5μm以上であり、より好ましくは1μm以上である。またアンドープGaN層3の膜厚の上限は特に限定されないが、製造効率等を考慮して適宜調整される。膜厚が上記範囲であると、n側コンタクト層4以降の層を結晶性良く成長でき好ましい。更に、アンドープGaN層3の膜厚が上記範囲であると、n側コンタクト層4とn側第1多層膜層5との合計の膜厚を、前記範囲に調整し静電耐圧を向上させる点で好ましい。
【0011】
次に、本発明において、n型不純物を含むn側コンタクト層4は、n型不純物を3×1018/cm3以上、好ましくは5×1018/cm3以上の濃度で含有する。このようにn型不純物を多くドープし、この層をn側コンタクト層とすると、Vf及び閾値を低下させることができる。不純物濃度が上記範囲を逸脱するとVfが低下しにくくなる傾向がある。また、n側コンタクト層4は、n型不純物濃度が小さい結晶性の良好なアンドープGaN層3上に形成されると、高濃度のn型不純物を有しているにも関わらず結晶性を良好に形成することができる。n側コンタクト層4のn型不純物濃度の上限は特に限定しないが、コンタクト層として結晶性が悪くなりすぎる限界としては5×1021/cm3以下が望ましい。
【0012】
n側コンタクト層4の組成は、IneAlfGa1-e-fN(0≦e、0≦f、e+f≦1)で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはGaN、f値0.2以下のAlfGa1-fNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。n側コンタクト層4の膜厚は特に問うものではないが、n電極を形成する層であるので0.1〜20μm、好ましくは0.5〜10μm、より好ましくは1〜5μmである。膜厚が上記範囲であると抵抗値を低くでき、発光素子の順方向電圧を低くでき好ましい。更に、n側コンタクト層4の膜厚が上記範囲であると、アンドープGaN層3及びn側第1多層膜層5との組み合わせにより、静電耐圧を向上させる点で好ましい。
また、n側コンタクト層4は、後述のn側第1多層膜層5を厚膜に形成する場合、省略することができる。
【0013】
次に、本発明において、n側第1多層膜層5は、n型不純物が互いに異なる濃度でドープされているバンドギャップエネルギーが異なる又はn型不純物が互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する少なくとも2種類の窒化物半導体層が積層されてなる多層膜からなる。n側第1多層膜5の膜厚は、2μm以下であり、好ましくは1.5μm以下であり、より好ましくは0.9μm以下である。また下限は特に限定されないが、例えば0.05μm以上である。膜厚がこの範囲であると、発光出力を向上させるのに好ましい。更に、n側第1多層膜層5の膜厚が上記範囲であると、アンドープGaN層3とn側コンタクト層4との組み合わせにより、静電耐圧を向上させる点で好ましい。
上記多層膜層を構成する窒化物半導体層の互いの不純物濃度が異なることを変調ドープといい、この場合、一方の層が不純物をドープしない状態、つまりアンドープが好ましい。
【0014】
まず、以下にn側第1多層膜層5が、互いにバンドギャップエネルギーが異なる少なくとも2種類の窒化物半導体層を積層してなる多層膜である場合について説明する。
n側第1多層膜層5の多層膜層を構成するバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層の膜厚は、100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは10〜40オングストロームの膜厚に調整する。100オングストロームよりも厚いと、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定せず、1原子層以上であればよいが、前記のように10オングストローム以上が最も好ましい。
【0015】
上記のようにn側第1多層膜5が、膜厚の薄い多層膜構造であると、その多層膜層を構成する窒化物半導体層の各膜厚を弾性臨界膜厚以下とすることができ、結晶欠陥の非常に少ない窒化物半導体が成長できる。さらに、この多層膜層で基板からアンドープGaN層3やn側コンタクト層4を通って発生している結晶欠陥をある程度止めることができ、多層膜層の上に成長させるn側第2多層膜層6の結晶性を良くすることができる。さらにHEMTに類似した効果もある。
【0016】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は、少なくともAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlgGa1-gN(0<g≦1)を成長させる方が望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体であればどのようなものでも良いが、好ましくはAlhGa1-hN(0≦h<1、g>h)、InjGa1-jN(0≦j<1)のような2元混晶、3元混晶の窒化物半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得られやすい。その中でも特に好ましくはバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体は実質的にInを含まないAlgGa1-gN(0<g<1)とし、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体は実質的にAlを含まないInjGa1-jN(0≦j<1)とし、中でも結晶性に優れた多層膜を得る目的で、Al混晶比(g値)0.3以下のAlgGa1-gN(0<g≦0.3)と、GaNの組み合わせが最も好ましい。
【0017】
また、n側第1多層膜層5が、光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層を形成する場合、活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長させる必要がある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即ちAl混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではAl混晶比の高い窒化物半導体を厚膜で成長させると、クラックが入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しかった。しかしながら本発明のようにn側第1多層膜層5を多層膜層にすると、多層膜層を構成する単一層をAl混晶比の多少高い層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、Al混晶比の高い層を結晶性良く成長できることにより、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果が高くなり、レーザ素子では閾値電圧、LED素子ではVf(順方向電圧)を低下させることができる。
【0018】
さらに、このn側第1多層膜層5のバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とのn型不純物濃度が異なることが好ましい。これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のn型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態(アンドープ)として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電圧、Vf等を低下させることができる。これは不純物濃度の低い層を多層膜層中に存在させることにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いままで多層膜層が形成できることによる。つまり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層がクラッド層となるために、閾値電圧、Vfが低下すると推察される。
【0019】
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、1×1017/cm3〜1×1020/cm3、さらに好ましくは1×1018/cm3〜5×1019/cm3の範囲に調整する。1×1017/cm3よりも少ないと、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1020/cm3よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層のn型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体側から拡散してくるn型不純物があり、その量は1×1019/cm3以下が望ましい。n型不純物としてはSi、Ge、Se、S、O等の周期律表第IVB族、VIB族元素を選択し、好ましくはSi、Ge、Sをn型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にn型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合も同様である。
以上、多層膜層に不純物を好ましく変調ドープする場合について述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。
【0020】
さらにまたn側第1多層膜層の多層膜を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい(好ましくはアンドープ)とすることが望ましい。具体的に説明すると、例えばn型不純物としてSiをドープしたAlGaNと、アンドープのGaN層とで多層膜層を形成した場合、AlGaNはSiをドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いGaNの伝導帯に落ちる。GaN結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にGaN結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいAlGaNの中心領域にn型不純物を高濃度にドープすると効果はさらに大きくなる。即ちGaN中を移動する電子によっては、AlGaN中に含まれるn型不純物イオン(この場合Si)の散乱を多少とも受ける。しかしAlGaN層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとするとSiの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープGaN層の移動度が向上するのである。
【0021】
次に、n側第1多層膜層5が、同一組成の窒化物半導体層が積層されてなり、n型不純物がそれら窒化物半導体層間で異なる濃度でドープされている場合について説明する。
まず、n側第1多層膜層5を構成する窒化物半導体としては、特に限定されず同一組成であればよいが、好ましくはGaNが挙げられる。n側第1多層膜層5がGaNで構成されていると、3元混晶より2元混晶のGaNであると結晶性良く成長でき、以降に成長させる窒化物半導体の結晶性も良好となり好ましい。
このような同一組成、例えばGaNのn側第1多層膜層5は、n型不純物を含む第1のGaN層と第1のGaN層のn型不純物濃度と異なる濃度の第2のGaN層、好ましくはどちらか一方がアンドープGaN層である少なくとも2種類以上の窒化物半導体からなる多層膜構造を有していることが好ましい。このように変調ドープされ多層膜構造を有していると、上記n側第1多層膜層5がバンドギャップエネルギーの異なり変調ドープされた少なくとも2種類の層から構成される場合と同様の作用が得られる。
n側不純物の濃度は1×1017〜1×1021/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3、より好ましくは3×1018〜7×1018/cm3である。また、この場合のn側第1多層膜層5の総膜厚は、特に限定されないが、1000〜4000オングストローム、好ましくは2000〜3000オングストロームである。また多層膜の各膜厚は500オングストローム以下、好ましくは200オングストローム以下、より好ましくは100オングストローム以下であり、膜厚の下限は特に限定されないが、1原子層以上であればよいが、10オングストローム以上が好ましい。上記のような膜厚であると、結晶性良く成長させることができ、発光出力を向上させるのに好ましい。
【0022】
また、以上説明した、バンドギャップエネルギーの異なる又は同一組成で更に不純物濃度の異なる2種類以上の層からなるn側第1多層膜層5は、n側コンタクト層を兼ねることができる。この場合、n側第1多層膜層5の膜厚は、0.5〜4μm、好ましくは1〜3μm、より好ましくは2〜2.8μmである。この場合のn側第1多層膜層5の膜厚は、上記の少なくとも2種類以上の窒化物半導体層により調整される。この場合のn側第1多層膜層5を構成する各膜厚は、上記範囲の薄膜層の多層膜層としてもよく、また全体としての膜厚がn側コンタクト層を兼ねる場合のn側第1多層膜層5の上記膜厚の範囲であれば各膜厚が上記範囲を超える2種類以上の窒化物半導体により調整してもよい。
【0023】
次に、本発明において、n側第2多層膜層6は、Inを含む第1の窒化物半導体層と、その第1の窒化物半導体層と異なる組成を有する第2の窒化物半導体層とが積層されたn側多層膜層からなり、前記第1の窒化物半導体層、または前記第2の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が100オングストローム以下である。好ましくは第1の窒化物半導体層および第2の窒化物半導体層の両方を100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは50オングストローム以下にする。このように膜厚を薄くすることにより、多層膜層が超格子構造となって、多層膜層の結晶性が良くなるので、出力が向上する傾向にある。
ここで、前記n側第1多層膜層と、上記n側第2多層膜層とを組み合わせると、発光出力が向上し、順方向電圧(Vf)が低下し好ましい。この理由は定かではないが、n側第2多層膜層上に成長させる活性層の結晶性が良好となるためと考えられる。
【0024】
第1の窒化物半導体層はInkGa1-kN(0<k<1)とし、第2の窒化物半導体層はInmGa1-mN(0≦m<1、m<k)、好ましくはGaNとすることが最も好ましい。
【0025】
さらに、前記第1の窒化物半導体層または前記第2の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚が、近接する第1の窒化物半導体層または第2の窒化物半導体層同士で互いに異なっても、同一でもよい。また。膜厚が近接する層同士で互いに異なるとは、第1の窒化物半導体層または第2の窒化物半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第2の窒化物半導体層(第1の窒化物半導体層)を挟んだ第1の窒化物半導体層(第2の窒化物半導体層)の膜厚が互いに異なることを意味する。
【0026】
さらにまた、前記第1の窒化物半導体層、または前記第2の窒化物半導体層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成が、近接する第1の窒化物半導体層または第2の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同士で互いに異なることが好ましい。このことは、第1の窒化物半導体層または第2の窒化物半導体層を複数層積層した多層膜層を形成した場合に、第2の窒化物半導体層(第1の窒化物半導体層)を挟んだ第1の窒化物半導体層(第2の窒化物半導体層)のIII族元素の組成比が互いに異なることを意味する。
【0027】
n側第2多層膜層6は、活性層と離間して形成されていても良いが、最も好ましくは活性層に接して形成されているようにする。活性層に接して形成する方がより出力が向上しやすい傾向にある。
【0028】
また、n側第2多層膜層6の第1の窒化物半導体層および第2の窒化物半導体層がアンドープであることが好ましい。アンドープとは意図的に不純物をドープしない状態を指し、例えば隣接する窒化物半導体層から拡散により混入される不純物も本発明ではアンドープという。なお拡散により混入される不純物は層内において不純物濃度に勾配がついていることが多い。
【0029】
第1の窒化物半導体層または第2の窒化物半導体層のいずれか一方に、n型不純物がドープされていてもよい。これは変調ドープと呼ばれるもので、変調ドープすることにより、出力が向上しやすい傾向にある。なおn型不純物としては、Si、Ge、Sn、S等のIV族、VI族元素を好ましく選択し、さらに好ましくはSi、Snを用いる。
【0030】
また、第1の窒化物半導体層および第2の窒化物半導体層の両方にn型不純物がドープされていてもよい。n型不純物をドープする場合、不純物濃度は5×1021/cm3以下、好ましくは1×1020/cm3以下に調整する。5×1021/cm3よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、逆に出力が低下する傾向にある。これは変調ドープの場合も同様である。
【0031】
図1に示すように、活性層7を挟んで下部にあるn側窒化物半導体層に、Inを含む第1の窒化物半導体層と、その第1の窒化物半導体層と異なる組成を有する第2の窒化物半導体層とが積層されたn側第2多層膜層6を有している。n側第2多層膜層6において、第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも一層以上形成し、合計で2層以上、好ましくは3層以上、さらに好ましくはそれぞれ少なくとも2層以上積層し合計で4層以上積層することが望ましい。
n側第2多層膜層6が活性層に接して形成されている場合、活性層の最初の層(井戸層、若しくは障壁層)と接する多層膜層は第1の窒化物半導体層でも、第2の窒化物半導体層いずれでも良く、n側第2多層膜層6の積層順序は特に問うものではない。なお、図1ではn側第2多層膜層6が、活性層7に接して形成されているが、このn側第2多層膜層6と活性層との間に、他のn型窒化物半導体よりなる層を有していても良い。
このn側第2多層膜層を構成する第1の窒化物半導体層または第2の窒化物半導体層の少なくとも一方の膜厚を100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、より好ましくは50オングストローム以下とすることにより、薄膜層が弾性臨界膜厚以下となって結晶が良くなり、その上に積層する第1、若しくは第2の窒化物半導体層の結晶性が良くなり、多層膜層全体の結晶性が良くなるため、素子の出力が向上する。
【0032】
第1の窒化物半導体層はInを含む窒化物半導体、好ましくは3元混晶のInkGa1-kN(0<k<1)とし、さらに好ましくはk値が0.5以下のInkGa1-kN、最も好ましくはk値が0.2以下のInkGa1-kNとする。一方、第2の窒化物半導体層は第1の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であれば良く、特に限定しないが、結晶性の良い第2の窒化物半導体を成長させるためには、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい2元混晶あるいは3元混晶の窒化物半導体を成長させ、その中でもGaNとすると、全体に結晶性の良い多層膜層が成長できる。従って最も好ましい組み合わせとしては、第1の窒化物半導体層がk値が0.5以下のInkGa1-kNであり、第2の窒化物半導体層がGaNとの組み合わせである。
【0033】
第1および第2の窒化物半導体層の膜厚を100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、より好ましくは50オングストローム以下にする。単一窒化物半導体層の膜厚を100オングストローム以下とすることにより、窒化物半導体単一層の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体が成長できる。また、両方を70オングストローム以下にすることによって、n側第2多層膜層6が超格子(多層膜)構造となり、この結晶性の良い多層膜構造の上に活性層を成長させると、n側第2多層膜層6がバッファ層のような作用をして、活性層が結晶性よく成長できる。
【0034】
さらにまた、第1、または前記第2の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚を、近接する第1、または第2の窒化物半導体層同士で互いに異なるようにすることも好ましい。例えば第1の窒化物半導体層をInGaNとし、第2の窒化物半導体層をGaNとした場合、GaN層とGaN層との間のInGaN層の膜厚を、活性層に接近するに従って次第に厚くしたり、また薄くしたりすることにより、多層膜層内部において屈折率が変化するため、実質的に屈折率が次第に変化する層を形成することができる。即ち、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成するのと同じ効果が得られる。このため例えばレーザ素子のような光導波路を必要とする素子においては、この多層膜層で導波路を形成して、レーザ光のモードを調整できる。
【0035】
また、第1、または前記第2の窒化物半導体層の内の少なくとも一方のIII族元素の組成を、近接する第1または第2の窒化物半導体層の同一III族元素の組成同士で互いに異なる、又は同一でもよい。例えば、同一III族元素の組成同士で互いに異ならせると、第1の窒化物半導体層をInGaNとし、第2の窒化物半導体層をGaNとした場合、GaN層とGaN層との間のInGaN層のIn組成を活性層に接近するに従って次第に多くしたり、また少なくしたりすることにより、前述の態様と同じく、多層膜層内部において屈折率を変化させて、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成することができる。なおIn組成が減少するに従い、屈折率は小さくなる傾向にある。
【0036】
第1および第2の窒化物半導体層は両方ともアンドープでも良いし、両方にn型不純物がドープされていても良いし、またいずれか一方に不純物がドープされていてもよい。結晶性を良くするためには、アンドープが最も好ましく、次に変調ドープ、その次に両方ドープの順である。なお両方にn型不純物をドープする場合、第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度と、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度は異なっていても良い。
【0037】
本発明において、多重量子井戸構造の活性層7は、In及びGaを含有する窒化物半導体、好ましくは、InaGa1-aN(0≦a<1)で形成され、n型、p型いずれでもよいが、アンドープ(不純物無添加)とすることにより強いバンド間発光が得られ発光波長の半値幅が狭くなり好ましい。活性層7にn型不純物及び/又はp型不純物をドープしてもよい。活性層7にn型不純物をドープするとアンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができる。活性層7にp型不純物をドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約0.5eV低いエネルギー側にピーク波長をシフトさせることができるが、半値幅は広くなる。活性層にp型不純物とn型不純物との双方をドープすると、前述したp型不純物のみドープした活性層の発光強度をさらに大きくすることができる。特にp型ドーパントをドープした活性層を形成する場合、活性層の導電型はSi等のn型ドーパントをもドープして全体をn型とすることが好ましい。結晶性のよい活性層を成長させるには、ノンドープが最も好ましい。
【0038】
活性層7の障壁層と井戸層との積層順は、特に問わず、井戸層から積層して井戸層で終わる、井戸層から積層して障壁層で終わる、障壁層から積層して障壁層で終わる、また障壁層から積層して井戸層で終わっても良い。井戸層の膜厚としては100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、さらに好ましくは50オングストローム以下に調整する。井戸層の膜厚の上限は、特に限定されないが、1原子層以上、好ましくは10オングストローム以上である。井戸層が100オングストロームよりも厚いと、出力が向上しにくい傾向にある。
一方、障壁層の厚さは2000オングストローム以下、好ましくは500オングストローム以下、より好ましくは300オングストローム以下に調整する。障壁層の膜厚の上限は特に限定されないが、1原子層以上、好ましくは10オングストローム以上である。障壁層が上記範囲であると出力が向上し易く好ましい。また、活性層7全体の膜厚はとくに限定されず、LED素子などの希望の波長等を考慮して、障壁層及び井戸層の各積層数や積層順を調整し活性層7の総膜厚を調整する。
【0039】
本発明において、p側クラッド層8は、バンドギャップエネルギーの大きな第3の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな第4の窒化物半導体層とが積層されて、互いのp型不純物濃度が異なる、又は同一の多層膜層、またはp型不純物を含有するAlbGa1-bN(0≦b≦1)からなる単一層である。
まず、p側クラッド層8が多層膜構造(超格子構造)を有するp側多層膜クラッド層の場合について以下に説明する。
p側多層膜クラッド層17の多層膜層を構成する第3、第4の窒化物半導体層の膜厚は、100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは10〜40オングストロームの膜厚に調整され、第3窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層との膜厚は、同一でも異なっていてもよい。多層膜構造の各膜厚が上記範囲であると、窒化物半導体の弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体が成長でき、また窒化物半導体層の結晶性が良くなるので、p型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さいp層が得られ、素子のVf、しきい値が低下し易い傾向にある。このような膜厚の2種類の層を1ペアとして複数回積層して多層膜層を形成する。そして、p側多層膜クラッド層8の総膜厚の調整は、この第3及び第4の窒化物半導体層の各膜厚を調整し積層回数を調整することにより行う。p側多層膜クラッド層8の総膜厚は、特に限定されないが、2000オングストローム以下、好ましくは1000オングストローム以下、より好ましくは500オングストローム以下であり、総膜厚がこの範囲であると発光出力が高く、順方向電圧(Vf)が低下し好ましい。
第3の窒化物半導体層は少なくともAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlnGa1-nN(0<n≦1)を成長させることが望ましく、第4の窒化物半導体は好ましくはAlpGa1-pN(0≦p<1、n>p)、InrGa1-rN(0≦r≦1)のような2元混晶、3元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
p側クラッド層8を超格子構造とすると、結晶性が良くなり、抵抗率が低下しVfが低下する傾向がある。
【0040】
p側多層膜クラッド層8のp型不純物濃度において、第3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とのp型不純物濃度が異なる場合について以下に示す。
p側多層膜クラッド層8の第3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とのp型不純物濃度は異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。n側クラッド層12と同様に、バンドギャップエネルギーの大きな第3の窒化物半導体層の方のp型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギーの小さな第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度を小さく、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Vf等を低下させることができる。またその逆でも良い。つまりバンドギャップエネルギーの大きな第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さな第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度を大きくしても良い。
【0041】
第3の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては1×1018/cm3〜1×1021/cm3、さらに好ましくは1×1019/cm3〜5×1020/cm3の範囲に調整する。1×1018/cm3よりも少ないと、同様に第4の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1021/cm3よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にある。一方、第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度は第3の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、第3の窒化物半導体側から拡散してくるp型不純物があり、その量は1×1020/cm3以下が望ましい。また、バンドギャップエネルギーが大きい第3の窒化物半導体層にp型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい第4の窒化物半導体層にp型不純物を多くドープする場合も同様である。
p型不純物としてはMg、Zn、Ca、Be等の周期律表第IIA族、IIB族元素を選択し、好ましくはMg、Ca等をp型不純物とする。
【0042】
さらにまた多層膜を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい(好ましくはアンドープ)とすることが、抵抗率を低下させるのに望ましい。
【0043】
またp側多層膜クラッド層8の第3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が同一の場合は、上記第3と第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が異なる場合の第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度の範囲内で不純物濃度が調整される。このようにp型不純物濃度が同一であると、上記不純物濃度が異なる場合に比べて、やや結晶性の劣る傾向があるが、キャリア濃度の高いp型クラッド層8を形成し易くなり、出力向上の点で好ましい。
【0044】
次に、p側クラッド層8が、p型不純物を含みAlbGa1-bN(0≦b≦1)よりなる単一層からなる場合、p側単一膜クラッド層8の膜厚は、2000オングストローム以下、好ましくは1000オングストローム以下であり、より好ましくは500〜100オングストローム以下である。膜厚が上記範囲であると、発光出力が向上し、Vfが低下し好ましい。p側単一膜クラッド層8の組成は、AlbGa1-bN(0≦b≦1)である。
また、単一膜層のクラッド層は、前記多層膜構造のp側クラッド層に比べ、結晶性はやや劣るものの、前記第1の多層膜層4との組み合わせにより、結晶性良く成長させることができ、しきい値やVfの低下が可能となる。更に、このように単一膜としてもその他の層構成と組み合わせることにより素子の性能の低下を少なくし、しかも単一膜であるので、製造工程の簡易化が可能となり、量産する場合に好ましい。
p側単一膜クラッド層8のp型不純物の濃度は1×1018〜1×1021/cm3、好ましくは5×1018〜5×1020/cm3、より好ましくは5×1019〜1×1020/cm3である。不純物濃度が上記範囲であると、良好なp型膜ができ好ましい。
【0045】
次に、本発明において、Mgドープp側GaNコンタクト層9は、その組成をIn、Alを含まない二元混晶の窒化物半導体とする。仮にIn、Alを含有していると、p電極10とオーミック接触が得られなくなり、発光効率が低下する。p側コンタクト層9の膜厚は 0.001〜0.5μm、好ましくは0.01〜0.3μm、より好ましくは0.05〜0.2μmである。膜厚が0.001μmよりも薄いとp型GaAlNクラッド層と電気的に短絡しやすくなり、コンタクト層として作用しにくい。また、三元混晶のGaAlNクラッド層の上に、組成の異なる二元混晶のGaNコンタクト層を積層するため、逆にその膜厚を0.5μmよりも厚くすると、結晶間のミスフィットによる格子欠陥がp側GaNコンタクト層9中に発生しやすく、結晶性が低下する傾向にある。なお、コンタクト層の膜厚は薄いほどVfを低下させ発光効率を向上させることができる。また、このp型GaNコンタクト層9のp型不純物はMgであるとp型特性が得られ易く、またオーミック接触が得られ易くなる。Mgの濃度は、1×1018〜1×1021/cm3、好ましくは5×1019〜3×1020/cm3、より好ましくは1×1020/cm3程度である。Mg濃度がこの範囲であると良好なp型膜が得られ易く、Vfが低下し好ましい。
【0046】
また、n電極11はn側コンタクト層4上に、p電極はMgドープp側GaNコンタクト層9上にそれぞれ形成されている。n電極及びp電極の材料としては特に限定されず、例えばn電極としてはW/Al、p電極としてはNi/Auなどを用いることができる。
【0047】
【実施例】
以下に本発明の一実施の形態である実施例を示すが、本発明はこれに限定されない。
[実施例1]
図1を元に実施例1について説明する。
サファイア(C面)よりなる基板1をMOVPEの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【0048】
(バッファ層2)
続いて、温度を510℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、基板1上にGaNよりなるバッファ層2を約150オングストロームの膜厚で成長させる。
【0049】
(アンドープGaN層3)
バッファ層2成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になったら、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層3を1.5μmの膜厚で成長させる。
【0050】
(n側コンタクト層4)
続いて1050℃で、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Siを4.5×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層4を2.25μmの膜厚で成長させる。
【0051】
(n側第1多層膜層5)
次にシランガスのみを止め、1050℃で、TMG、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層を75オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しSiを4.5×1018/cm3ドープしたGaN層を25オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、75オングストロームのアンドープGaN層からなるA層と、SiドープGaN層を有する25オングストロームのB層とからなるペアを成長させる。そしてペアを25層積層して2500オングストローム厚として、超格子構造の多層膜よりなるn側第1多層膜層5を成長させる。
【0052】
(n側第2多層膜層6)
次に、同様の温度で、アンドープGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長させ、次に温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用い、アンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる第1の窒化物半導体層を20オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第2+第1の順で交互に10層づつ積層させ、最後にGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるn側第2多層膜層6を640オングストロームの膜厚で成長させる。
【0053】
(活性層7)
次に、アンドープGaNよりなる障壁層を200オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.4Ga0.6Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を5層、井戸層を4層、交互に積層して、総膜厚1120オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層7を成長させる。
【0054】
(p側多層膜クラッド層8)
次に、温度1050℃でTMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニア、Cp2Mgを用いMgを1×1020/cm3ドープしたIn0.03Ga0.97Nよりなる第4の窒化物半導体層を25オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第3+第4の順で交互に5層ずつ積層し、最後に第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるp側多層膜クラッド層8を365オングストロームの膜厚で成長させる。
【0055】
(p側GaNコンタクト層9)
続いて1050℃で、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層9を700オングストロームの膜厚で成長させる。
【0056】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。
【0057】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層9の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、図1に示すようにn側コンタクト層4の表面を露出させる。
【0058】
エッチング後、最上層にあるp側コンタクト層のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiとAuを含む透光性のp電極10と、そのp電極10の上にボンディング用のAuよりなるpパッド電極11を0.5μmの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたn側コンタクト層4の表面にはWとAlを含むn電極12を形成してLED素子とした。
【0059】
このLED素子は順方向電流20mAにおいて、520nmの純緑色発光を示し、Vfは3.5Vで、従来の多重量子井戸構造のLED素子に比較して、Vfで1.0V近く低下し、出力は2.0倍以上に向上した。そのため、10mAで従来のLED素子とほぼ同等の特性を有するLEDが得られた。更に静電耐圧は従来の1.3倍以上となり良好である。
【0060】
なお、従来のLED素子の構成は、GaNよりなる第1のバッファ層の上に、アンドープGaNよりなる第2のバッファ層、SiドープGaNよりなるn側コンタクト層、実施例1と同一の多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のMgドープAl0.1Ga0.9N層、MgドープGaNからなるp側コンタクト層を順に積層したものである。
【0061】
[実施例2]
実施例1において、活性層7を以下のように変える他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
次に、アンドープGaNよりなる障壁層を250オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.3Ga0.7Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を7層、井戸層を6層、交互に積層して、総膜厚1930オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層7を成長させる。
得られたLED素子は、順方向電流20mAにおいて、470nmの純青色発光を示し、実施例1と同様に良好な結果が得られる。
【0062】
[実施例3]
実施例1において、活性層7を以下のように変える他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
次に、アンドープGaNよりなる障壁層を250オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.3Ga0.7Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を6層、井戸層を5層、交互に積層して、総膜厚1650オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層7を成長させる。
得られたLED素子は、順方向電流20mAにおいて、470nmの純青色発光を示し、実施例1と同様に良好な結果が得られる。
【0063】
[実施例4]
実施例1において、活性層7を以下のように変える他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
次に、アンドープGaNよりなる障壁層を250オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.35Ga0.65Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を7層、井戸層を6層、交互に積層して、総膜厚1930オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層7を成長させる。
得られたLED素子は、順方向電流20mAにおいて、500nmの青緑色発光を示し、実施例1と同様に良好な結果が得られる。
【0064】
[実施例5]
実施例1において、活性層7を以下のように変える他は同様にしてLED素子を作製した。
(活性層7)
次に、アンドープGaNよりなる障壁層を250オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.35Ga0.65Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を4層、井戸層を3層、交互に積層して、総膜厚1090オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層7を成長させる。
得られたLED素子は、順方向電流20mAにおいて、500nmの青緑色発光を示し、実施例1と同様に良好な結果が得られる。
【0065】
[実施例6]
実施例1において、n側第2多層膜層6を成長させない他は同様にしてLED素子を作製した。
得られたLED素子は、実施例1に比べやや素子特性及び発光出力が低いものの従来のLED素子と比較すると良好な発光出力を有している。
【0066】
[実施例7]
実施例1において、p側多層膜クラッド層8を以下のように変える他は同様にしてLED素子を作製した。
(p側単一膜クラッド層8)
温度1050℃でTMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.16Ga0.84Nよりなるp側単一膜クラッド層8を300オングストロームの膜厚で成長させる。
得られたLED素子は、クラッド層を超格子とせず単一の層として成長させているが、その他の層構成との組み合わせにより、実施例1よりやや性能が劣るもののほぼ同様に良好な結果が得られる。また、単一層とすると、多層膜層にする場合に比べ製造工程が簡易化でき好ましい。
【0067】
[実施例8]
実施例1において、n側第1多層膜層5を以下のように変える他は同様にしてLED素子を作製した。
(n側第1多層膜層5)
アンドープGaN層よりなるA層を100オングストロームの膜厚で成長させ、Siを1×1018/cm3ドープしたAl0.1Ga0.9NよりなるB層を25オングストロームの膜厚で成長させてなるA層とB層の1ペアを20層積層して2500オングストローム厚としてn側第1多層膜層5を成長させる。
得られたLED素子は、実施例1とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。
【0068】
[実施例9]
実施例1において、n側コンタクト層4を以下のように変える他は同様にしてLED素子を作製した。
(n側コンタクト層4)
1050℃で、原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Siを4.5×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層4を6μmの膜厚で成長させる。
得られたLED素子は、実施例1とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られる。
【0069】
[実施例10]
実施例1において、n側コンタクト層4の膜厚を4.25μm、5.25μm、7.25μmとする他は同様にして、3種のLED素子を作製しする。
得られたLED素子は、実施例1とほぼ同等の特性を有し、良好な結果が得られ、また、膜厚が4.25μm及び5.25μmの場合は、静電耐圧等がやや実施例1より良好となる。
【0070】
[実施例11]
実施例1において、n側第2多層膜層6をアンドープGaNよりなる第2の窒化物半導体層と、Siを5×1017/cm3ドープしたIn0.13Ga0.87Nよりなる第1の窒化物半導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてLED素子を作製する。
得られたLED素子は、実施例1とほぼ同等の特性を示す。
【0071】
[実施例12]
実施例1において、p側多層膜クラッド層8をMgを5×1019/cm3ドープしたAl0.2Ga0.8Nよりなる第3の窒化物半導体層と、アンドープのIn0.03Ga0.97Nよりなる第4の窒化物半導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてLED素子を作製する。
得られたLED素子は、実施例1とほぼ同等の特性を示す。
【0072】
[実施例13]
実施例1において、p側多層膜クラッド層8をアンドープのAl0.2Ga0.8Nよりなる第3の窒化物半導体層と、Mgを5×1019/cm3ドープしたIn0.03Ga0.97Nよりなる第4の窒化物半導体層とからなる多層膜とする他は同様にしてLED素子を作製する。
得られたLED素子は、実施例1とほぼ同等の特性を示す。
【0073】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、多重量子井戸構造の活性層と、以上のような特定の層構成とを組み合わせることにより、多重量子井戸構造の活性層の可能性を良好に発揮させることができ、発光出力の向上及び静電耐圧の向上を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の一実施の形態であるLED素子の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
1・・・サファイア基板、
2・・・バッファ層、
3・・・アンドープGaN層、
4・・・n側コンタクト層、
5・・・n側第1多層膜層、
6・・・n側第2多層膜層、
7・・・活性層、
8・・・p側クラッド層、
9・・・Mgドープp側GaNコンタクト層、
10・・・p電極、
11・・・n電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), a solar cell, a light emitting element such as an optical sensor, a light receiving element, or a nitride semiconductor (for example, In) used in an electronic device such as a transistor or a power device.XAlYGa1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1).
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors have been put to practical use in various light sources such as full-color LED displays, traffic signal lights, and image scanner light sources as materials for high-intensity blue LEDs and pure green LEDs. These LED elements basically have a buffer layer made of GaN on a sapphire substrate, an n-side contact layer made of Si-doped GaN, and a single quantum well structure (SQW: Single-Quantum-Well) InGaN or InGaN. A multi-quantum well (MQW) active layer, a p-side cladding layer made of Mg-doped AlGaN, and a p-side contact layer made of Mg-doped GaN are sequentially stacked. At 20 mA, the blue LED with an emission wavelength of 450 nm shows 5 mW, the external quantum efficiency is 9.1%, the green LED with 520 nm has 3 mW, and the external quantum efficiency is 6.3%.
The multi-quantum well structure has a structure consisting of multiple minibands, and can efficiently emit light even with a small current. Therefore, improvement in device characteristics such as higher light output than a single quantum well structure is expected. The
For example, as an LED element using an active layer having a multiple quantum well structure, Japanese Patent Laid-Open No. 10-135514 discloses at least a barrier layer made of undoped GaN and an undoped InGaN in order to improve luminous efficiency and luminous intensity. There is disclosed a nitride semiconductor device having a light emitting layer having a multiple quantum well structure composed of a well layer and a cladding layer having a wider band gap than the barrier layer of the light emitting layer.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the light emitting output is not sufficiently satisfactory in order to use the conventional element as an LED element for an illumination light source, an outdoor display exposed to direct sunlight, or the like. In this way, the active layer having a multiple quantum well structure can be considered to dramatically improve the light emission output, but it is difficult to fully exhibit its expected possibility.
Furthermore, a device made of a nitride semiconductor may deteriorate even at a voltage of 100 V, which is far weaker than static electricity generated in the human body due to its structure. For example, there is a risk of deterioration when taking out an antistatic bag or the like, or when applying it to a product. In order to further improve the reliability of the nitride semiconductor device, it is desired to eliminate the risk of such deterioration.
Therefore, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light-emitting device that further improves the light emission output and enables the electrostatic withstand voltage to be increased by using an active layer having a multi-quantum well structure and extending the application range to various application products. Is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention achieves the object of the present invention by the following configurations (1) to (6).
(1) In a nitride semiconductor device having an n-side nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-side nitride semiconductor layer on a substrate,
The active layer is InaGa1-aA multiple quantum well structure including N (0 ≦ a <1) layers;
The n-side nitride semiconductor layer is
an n-side contact layer containing an n-type impurity;
an n-side first multilayer film formed by laminating at least two types of nitride semiconductor layers having the same composition doped with n-type impurities at different concentrations;
A first nitride semiconductor layer containing In, and an n-side second multilayer film layer in which a second nitride semiconductor layer having a composition different from that of the first nitride semiconductor layer is stacked,
Through the buffer layer on the substrateThe n-side contact layer;A nitride semiconductor device comprising the n-side first multilayer film layer, the n-side second multilayer film layer, and the active layer in this order.
(2) A p-side multilayer clad layer in which the p-side nitride semiconductor layer is formed by stacking third and fourth nitride semiconductor layers having different band gap energies and different p-type impurity concentrations or the same. The nitride semiconductor device according to (1), comprising:
(3) The p-side nitride semiconductor layer contains p-type impurities and AlbGa1-bThe nitride semiconductor device according to (1), further comprising a p-side single film clad layer made of N (0 ≦ b ≦ 1).
(4) A first nitride semiconductor layer containing In between the n-side first multilayer film layer and the active layer, and a second nitride semiconductor having a composition different from that of the first nitride semiconductor layer The nitride semiconductor device according to any one of (1) to (3), which includes an n-side second multilayer film layer laminated with a layer..
(5The nitride semiconductor device according to (1), wherein the n-side contact layer is formed on an undoped GaN layer.
(6) In the nitride semiconductor device, the undoped GaN layer is grown at a low temperature.dAl1-dA p-side GaN contact layer containing Mg as a p-type impurity is formed on the buffer layer made of N (0 <d ≦ 1) and further on the p-side multilayer clad layer or the p-side single layer clad layer. The nitride semiconductor device according to (5).
[0005]
That is, according to the present invention, the n-side first multilayer film composed of two or more types of nitride semiconductor layers having different n-type impurity concentrations on the n-side and the p-side the first multilayer film so as to sandwich the light emitting layer having the multiple quantum well structure. A p-side multilayer clad layer made of 3 and 4 nitride semiconductor layers or Al containing p-type impuritiesbGa1-bBy forming a p-side single film clad layer made of N (0 ≦ b ≦ 1) in combination, a nitride semiconductor device with improved luminous efficiency, improved luminous output, and further improved electrostatic withstand voltage is obtained. be able to.
Thus, by combining a plurality of nitride semiconductor layers having a specific composition or structure, the performance of the active layer having a multiple quantum well structure can be efficiently exhibited. Further, other nitride semiconductor layers preferable in combination with an active layer having a multiple quantum well structure are described below.
[0006]
In the present invention, a first nitride semiconductor layer containing In between the n-side first multilayer film layer and the active layer, and a second nitride having a composition different from that of the first nitride semiconductor layer It is preferable to have an n-side second multilayer film layered with a semiconductor layer because the luminous efficiency can be further improved and the luminous efficiency can be improved by lowering Vf.
Furthermore, in the present invention, it is preferable to have an n-side contact layer containing an n-type impurity on the substrate side from the n-side first multilayer film layer in order to improve the light emission output and lower Vf.
Furthermore, in the present invention, when the n-side contact layer is formed on the undoped GaN layer, the undoped GaN layer can be obtained as a layer having good crystallinity, so that the n-side serving as a layer for forming the n-electrode is formed. The crystallinity of the contact layer is improved, and the crystallinity of other nitride semiconductor layers such as an active layer formed on the n-side contact layer is improved, which is preferable for improving the light emission output.
Still further, in the present invention, the undoped GaN layer is grown at a low temperature.dAl1-dWhen formed on a buffer layer composed of N (0 <d ≦ 1), the crystallinity of the undoped GaN layer is further improved, and the crystallinity of the n-side contact layer and the like is also improved, which is preferable in improving the light emission output. Furthermore, when an Mg-doped p-side GaN contact layer is formed on the p-side multilayer clad layer or the p-side single film clad layer, it becomes easier to obtain p-type characteristics and the p-side GaN contact layer It has good ohmic contact with the p-electrode formed thereon, and is preferable for improving the light emission output.
In the present invention, the total thickness of the undoped GaN layer, the n-side contact layer, and the n-side first multilayer film layer is 2 to 20 μm, preferably 3 to 10 μm, more preferably 4 to 9 μm. And it is preferable in terms of improvement in electrostatic withstand voltage. In addition, when the film thickness is in the above range, the element characteristics other than the electrostatic withstand voltage are good. The total film thickness of the three layers is appropriately adjusted so that the total film thickness of the three layers is within the above range within the preferable film thickness range of each layer.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 which is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor device showing the structure of a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1 shows a
[0008]
In the present invention, the
[0009]
In the present invention, the
The film thickness of the
The growth temperature of the
The
[0010]
Next, in the present invention, the undoped GaN layer 3 is a layer formed without adding an n-type impurity during growth. When the undoped GaN layer 3 is grown on the
[0011]
Next, in the present invention, the n-
[0012]
The composition of the n-
Further, the n-
[0013]
Next, in the present invention, the n-side first
The fact that the nitride semiconductor layers constituting the multilayer film have different impurity concentrations is referred to as modulation doping. In this case, one of the layers is preferably not doped with impurities, that is, undoped.
[0014]
First, the case where the n-side first
The film thicknesses of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy constituting the multilayer film layer of the n-side first
[0015]
As described above, when the n-side
[0016]
The nitride semiconductor layer having a large band gap energy is a nitride semiconductor containing at least Al, preferably Al.gGa1-gIt is desirable to grow N (0 <g ≦ 1). On the other hand, the nitride semiconductor having a small band gap energy may be any nitride semiconductor having a lower band gap energy than a nitride semiconductor having a large band gap energy, but preferably Al.hGa1-hN (0 ≦ h <1, g> h), InjGa1-jA binary mixed crystal or ternary mixed crystal nitride semiconductor such as N (0 ≦ j <1) is easy to grow, and a crystal with good crystallinity is easily obtained. Among them, a nitride semiconductor having a large band gap energy is particularly preferably an Al containing substantially no In.gGa1-gN (0 <g <1), and a nitride semiconductor having a small band gap energy is substantially free of Al.jGa1-jN (0 ≦ j <1), and for the purpose of obtaining a multilayer film excellent in crystallinity, Al having an Al mixed crystal ratio (g value) of 0.3 or lessgGa1-gThe combination of N (0 <g ≦ 0.3) and GaN is most preferable.
[0017]
Further, when the n-side first
[0018]
Furthermore, it is preferable that the n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy of the n-side first
[0019]
When doping a nitride semiconductor layer having a large band gap energy with a large amount of n-type impurities, a preferable doping amount to the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 1017/cmThree~ 1x1020/cmThreeMore preferably 1 × 1018/cmThree~ 5x1019/cmThreeAdjust to the range. 1 × 1017/cmThreeIs less than the nitride semiconductor layer having a small band gap energy, it tends to be difficult to obtain a layer having a high carrier concentration.20/cmThreeIf it is more, the leakage current of the element itself tends to increase. On the other hand, the n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy should be less than that of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy, and preferably 1/10 or less. Most preferably, when undoped, a layer with the highest mobility is obtained, but since the film thickness is thin, there is an n-type impurity diffused from the side of the nitride semiconductor having a large band gap energy, and the amount is 1 × 1019/cmThreeThe following is desirable. As the n-type impurity, elements of Group IVB and VIB of the periodic table such as Si, Ge, Se, S, and O are selected. Preferably, Si, Ge, and S are n-type impurities. This effect is the same when the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of n-type impurities and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of n-type impurities.
As described above, the case where the multilayer film layer is preferably modulation-doped with impurities has been described. However, the impurity concentrations of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy can be made equal.
[0020]
Furthermore, in the nitride semiconductor layer constituting the multilayer film of the n-side first multilayer film layer, the impurity-doped layer has a high impurity concentration near the center of the semiconductor layer with respect to the thickness direction. It is desirable that the impurity concentration in the vicinity of the portion be small (preferably undoped). More specifically, for example, when a multilayer film is formed of AlGaN doped with Si as an n-type impurity and an undoped GaN layer, AlGaN is doped with Si, so that electrons are emitted as a donor to the conduction band. Electrons fall into the low-potential GaN conduction band. Since the GaN crystal is not doped with a donor impurity, it is not subject to carrier scattering by the impurity. Therefore, the electrons can easily move in the GaN crystal, and the substantial mobility of electrons increases. This is similar to the effect of the two-dimensional electron gas, in which the substantial mobility in the electron lateral direction is increased and the resistivity is decreased. Further, the effect is further enhanced when the n-type impurity is doped at a high concentration in the central region of AlGaN having a large band gap energy. That is, depending on the electrons moving in GaN, the n-type impurity ions (Si in this case) contained in AlGaN are somewhat scattered. However, if both ends are undoped with respect to the thickness direction of the AlGaN layer, it is difficult to receive Si scattering, and the mobility of the undoped GaN layer is further improved.
[0021]
Next, the case where the n-side first
First, the nitride semiconductor constituting the n-side first
The n-side first
The concentration of the n-side impurity is 1 × 1017~ 1x10twenty one/ CmThree, Preferably 1 × 1018~ 1x1019/ CmThree, More preferably 3 × 1018~ 7 × 1018/ CmThreeIt is. In this case, the total thickness of the n-side first
[0022]
Further, the n-side first
[0023]
Next, in the present invention, the n-side second multilayer film layer 6 includes a first nitride semiconductor layer containing In, a second nitride semiconductor layer having a composition different from that of the first nitride semiconductor layer, Are stacked, and the film thickness of at least one of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is 100 angstroms or less. Preferably, both the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less. By reducing the film thickness in this way, the multilayer film layer has a superlattice structure, and the crystallinity of the multilayer film layer is improved, so that the output tends to be improved.
Here, it is preferable to combine the n-side first multilayer film layer and the n-side second multilayer film layer to improve light emission output and lower forward voltage (Vf). The reason for this is not clear, but it is considered that the crystallinity of the active layer grown on the n-side second multilayer layer is improved.
[0024]
The first nitride semiconductor layer is InkGa1-kN (0 <k <1), and the second nitride semiconductor layer is InmGa1-mMost preferred is N (0 ≦ m <1, m <k), preferably GaN.
[0025]
Furthermore, the film thickness of at least one of the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is different between adjacent first nitride semiconductor layers or second nitride semiconductor layers. Or the same. Also. The layers having different thicknesses are different from each other when the first nitride semiconductor layer or the multilayer film layer in which a plurality of second nitride semiconductor layers are stacked is formed. It means that the film thicknesses of the first nitride semiconductor layer (second nitride semiconductor layer) sandwiching the first nitride semiconductor layer are different from each other.
[0026]
Furthermore, the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor in which the composition of at least one group III element in the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is close to each other. The compositions of the same group III element in the layer are preferably different from each other. This is because the second nitride semiconductor layer (first nitride semiconductor layer) is formed when a multilayer film layer in which a plurality of first nitride semiconductor layers or second nitride semiconductor layers are stacked is formed. It means that the composition ratios of Group III elements of the sandwiched first nitride semiconductor layer (second nitride semiconductor layer) are different from each other.
[0027]
The n-side second multilayer film layer 6 may be formed apart from the active layer, but is most preferably formed in contact with the active layer. The output tends to be improved more easily when it is formed in contact with the active layer.
[0028]
The first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer of the n-side second multilayer film layer 6 are preferably undoped. Undoped refers to a state where impurities are not intentionally doped. For example, impurities mixed by diffusion from adjacent nitride semiconductor layers are also referred to as undoped in the present invention. Note that impurities mixed by diffusion often have a gradient in impurity concentration in the layer.
[0029]
Either the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer may be doped with an n-type impurity. This is called modulation doping, and the output tends to be improved by modulation doping. As n-type impurities, group IV and group VI elements such as Si, Ge, Sn, and S are preferably selected, and Si and Sn are more preferably used.
[0030]
In addition, both the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer may be doped with n-type impurities. When doping an n-type impurity, the impurity concentration is 5 × 10twenty one/cmThreeOr less, preferably 1 × 1020/cmThreeAdjust to: 5 × 10twenty one/cmThreeIf it exceeds the upper limit, the crystallinity of the nitride semiconductor layer deteriorates, and the output tends to decrease. The same applies to modulation doping.
[0031]
As shown in FIG. 1, the n-side nitride semiconductor layer below the
When the n-side second multilayer film layer 6 is formed in contact with the active layer, the multilayer film layer in contact with the first layer (well layer or barrier layer) of the active layer may be the first nitride semiconductor layer, Any of the two nitride semiconductor layers may be used, and the stacking order of the n-side second multilayer film layer 6 is not particularly limited. In FIG. 1, the n-side second multilayer film layer 6 is formed in contact with the
The film thickness of at least one of the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer constituting the n-side second multilayer film layer is 100 angstroms or less, preferably 70 angstroms or less, more preferably 50 angstroms or less. By doing so, the thin film layer becomes less than the elastic critical film thickness, the crystal is improved, the crystallinity of the first or second nitride semiconductor layer stacked thereon is improved, and the crystallinity of the entire multilayer film layer is improved. Therefore, the output of the element is improved.
[0032]
The first nitride semiconductor layer is a nitride semiconductor containing In, preferably ternary mixed crystal InkGa1-kN (0 <k <1), more preferably an In value with a k value of 0.5 or lesskGa1-kN, most preferably an In value of 0.2 or lesskGa1-kN. On the other hand, the second nitride semiconductor layer may be a nitride semiconductor having a composition different from that of the first nitride semiconductor layer, and is not particularly limited. In order to grow the second nitride semiconductor having good crystallinity, When a binary mixed crystal or a ternary mixed crystal nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor is grown, and GaN among them is grown, a multilayer film layer having good crystallinity can be grown as a whole. Therefore, the most preferable combination is that the first nitride semiconductor layer has an In value with a k value of 0.5 or less.kGa1-kN, and the second nitride semiconductor layer is a combination with GaN.
[0033]
The film thicknesses of the first and second nitride semiconductor layers are set to 100 angstroms or less, preferably 70 angstroms or less, more preferably 50 angstroms or less. By setting the film thickness of the single nitride semiconductor layer to 100 angstroms or less, the nitride semiconductor single layer has an elastic critical film thickness or less, and a nitride semiconductor with better crystallinity is grown as compared with the case of growing with a thick film. it can. Further, by setting both to 70 angstroms or less, the n-side second multilayer film layer 6 has a superlattice (multilayer film) structure, and when an active layer is grown on this highly crystalline multilayer film structure, The second multilayer layer 6 acts like a buffer layer, so that the active layer can grow with good crystallinity.
[0034]
Furthermore, it is also preferable that the film thickness of at least one of the first or second nitride semiconductor layers is different between adjacent first or second nitride semiconductor layers. For example, when the first nitride semiconductor layer is InGaN and the second nitride semiconductor layer is GaN, the thickness of the InGaN layer between the GaN layer and the GaN layer is gradually increased as it approaches the active layer. Since the refractive index changes inside the multilayer film layer by thinning or reducing the thickness, a layer in which the refractive index gradually changes can be formed. That is, the same effect as that of forming a nitride semiconductor layer having a substantially composition gradient can be obtained. For this reason, in an element that requires an optical waveguide, such as a laser element, the mode of the laser beam can be adjusted by forming a waveguide with this multilayer film layer.
[0035]
Further, the composition of at least one group III element in the first or second nitride semiconductor layer is different from each other in the composition of the same group III element in the adjacent first or second nitride semiconductor layer. Or the same. For example, when the composition of the same group III element is different from each other, when the first nitride semiconductor layer is InGaN and the second nitride semiconductor layer is GaN, the InGaN layer between the GaN layer and the GaN layer By gradually increasing or decreasing the In composition of the layer as it approaches the active layer, the refractive index is changed inside the multilayer film layer, and the nitride semiconductor is substantially compositionally graded, as in the previous embodiment. A layer can be formed. The refractive index tends to decrease as the In composition decreases.
[0036]
Both the first and second nitride semiconductor layers may be undoped, both may be doped with n-type impurities, or one of them may be doped with impurities. In order to improve crystallinity, undoped is most preferable, followed by modulation doping and then both doping. When both are doped with n-type impurities, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer and the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer may be different.
[0037]
In the present invention, the
[0038]
The order of stacking of the barrier layer and the well layer of the
On the other hand, the thickness of the barrier layer is adjusted to 2000 angstroms or less, preferably 500 angstroms or less, more preferably 300 angstroms or less. The upper limit of the thickness of the barrier layer is not particularly limited, but is 1 atomic layer or more, preferably 10 angstroms or more. It is preferable that the barrier layer is in the above range because the output is easily improved. Further, the film thickness of the entire
[0039]
In the present invention, the p-
First, the case where the p-
The film thickness of the third and fourth nitride semiconductor layers constituting the multilayer film layer of the p-side multilayer film cladding layer 17 is 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 10 to 40 angstroms. The film thicknesses of the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer may be the same or different. When each film thickness of the multilayer structure is within the above range, the nitride semiconductor becomes less than the critical critical film thickness of the nitride semiconductor, and a nitride semiconductor with better crystallinity can be grown compared to the case of growing with a thick film. Since the crystallinity of the layer is improved, when a p-type impurity is added, a p-layer having a large carrier concentration and a low resistivity is obtained, and the Vf and threshold value of the device tend to be lowered. A multilayer film layer is formed by laminating two kinds of layers having such a thickness as a pair a plurality of times. The total film thickness of the p-side multilayer clad
The third nitride semiconductor layer is a nitride semiconductor containing at least Al, preferably AlnGa1-nIt is desirable to grow N (0 <n ≦ 1), and the fourth nitride semiconductor is preferably AlpGa1-pN (0 ≦ p <1, n> p), InrGa1-rIt is desirable to grow a binary mixed crystal or ternary mixed crystal nitride semiconductor such as N (0 ≦ r ≦ 1).
When the p-
[0040]
A case where the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer have different p-type impurity concentrations in the p-type impurity concentration of the p-side multilayer clad
The third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer of the p-side multilayer clad
[0041]
A preferred doping amount to the third nitride semiconductor layer is 1 × 1018/cmThree~ 1x10twenty one/cmThreeMore preferably 1 × 1019/cmThree~ 5x1020/cmThreeAdjust to the range. 1 × 1018/cmThreeLess than the fourth nitride semiconductor layer, the layer having a high carrier concentration tends to be difficult to obtain.twenty one/cmThreeWhen the amount is more than 1, the crystallinity tends to deteriorate. On the other hand, the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer should be less than that of the third nitride semiconductor layer, and preferably 1/10 or less. Most preferably, when undoped, a layer with the highest mobility can be obtained, but since the film thickness is small, there is a p-type impurity diffused from the third nitride semiconductor side, and the amount thereof is 1 × 1020/cmThreeThe following is desirable. The same applies to the case where the third nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of p-type impurities and the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of p-type impurities.
As the p-type impurities, Group IIA and IIB elements of the periodic table such as Mg, Zn, Ca and Be are selected, and preferably Mg, Ca and the like are used as p-type impurities.
[0042]
Furthermore, in the nitride semiconductor layer constituting the multilayer film, the layer doped with impurities at a high concentration has a large impurity concentration near the center of the semiconductor layer and a small impurity concentration near both ends in the thickness direction ( It is desirable to reduce the resistivity.
[0043]
When the p-type impurity concentrations of the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer of the p-side multilayer clad
[0044]
Next, the p-
The single-layer clad layer can be grown with good crystallinity in combination with the first
The p-type impurity concentration of the p-side single
[0045]
Next, in the present invention, the Mg-doped p-side
[0046]
The n-electrode 11 is formed on the n-
[0047]
【Example】
Examples which are one embodiment of the present invention are shown below, but the present invention is not limited thereto.
[Example 1]
A first embodiment will be described with reference to FIG.
The
[0048]
(Buffer layer 2)
Subsequently, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethyl gallium) are used as a source gas, and a
[0049]
(Undoped GaN layer 3)
After the growth of the
[0050]
(N-side contact layer 4)
Subsequently, at 1050 ° C., similarly, TMG, ammonia gas, and silane gas are used as source gas and silane gas as impurity gas.18/cmThreeAn n-
[0051]
(N-side first multilayer film layer 5)
Next, the silane gas alone was stopped, and at 1050 ° C., TMG and ammonia gas were used to grow an undoped GaN layer with a film thickness of 75 Å, and then silane gas was added at the same temperature to add Si to 4.5 × 10 6.18/cmThreeA doped GaN layer is grown to a thickness of 25 Angstroms. In this manner, a pair consisting of an A layer composed of an undoped GaN layer of 75 angstroms and a 25 angstrom B layer having an Si doped GaN layer is grown. Then, 25 pairs are stacked so as to have a thickness of 2500 Å, and the n-side first
[0052]
(N-side second multilayer layer 6)
Next, at the same temperature, a second nitride semiconductor layer made of undoped GaN is grown to 40 Å, and then the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used.0.13Ga0.87A first nitride semiconductor layer made of N is grown by 20 Å. Then, these operations are repeated, and 10 layers are alternately stacked in the order of 2 + 1 and finally, the n-side formed of a multi-layer film having a superlattice structure in which a second nitride semiconductor layer made of GaN is grown by 40 angstroms. The second multilayer layer 6 is grown to a thickness of 640 angstrom.
[0053]
(Active layer 7)
Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 200 angstroms, and subsequently the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used to undoped In.0.4Ga0.6A well layer made of N is grown to a thickness of 30 Å. Then, an
[0054]
(P-side multilayer clad layer 8)
Next, TMG, TMA, ammonia, Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) was used at a temperature of 1050 ° C., and Mg was 1 × 1020/cmThreeDoped p-type Al0.2Ga0.8A third nitride semiconductor layer made of N is grown to a thickness of 40 angstroms, followed by a temperature of 800 ° C., and TMG, TMI, ammonia and
[0055]
(P-side GaN contact layer 9)
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia, and
[0056]
After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.
[0057]
After annealing, the wafer is taken out from the reaction vessel, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-
[0058]
After etching, a translucent p-electrode 10 containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms is formed on almost the entire surface of the p-side contact layer as the uppermost layer, and a p-pad electrode made of Au for bonding on the p-electrode 10 11 is formed to a thickness of 0.5 μm. On the other hand, an n-electrode 12 containing W and Al was formed on the surface of the n-
[0059]
This LED element emits pure green light of 520 nm at a forward current of 20 mA, Vf is 3.5 V, which is nearly 1.0 V lower than the conventional multi-quantum well structure LED element, and the output is It improved to 2.0 times or more. For this reason, an LED having substantially the same characteristics as a conventional LED element at 10 mA was obtained. Furthermore, the electrostatic withstand voltage is 1.3 times or more than the conventional one, which is favorable.
[0060]
The configuration of the conventional LED element is the same as in Example 1, except that the second buffer layer made of undoped GaN, the n-side contact layer made of Si-doped GaN, and the first quantum layer made of GaN. Active layer with well structure, single Mg-doped Al0.1Ga0.9An N layer and a p-side contact layer made of Mg-doped GaN are sequentially stacked.
[0061]
[Example 2]
An LED element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(Active layer 7)
Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 250 angstrom, and subsequently the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used to undoped In0.3Ga0.7A well layer made of N is grown to a thickness of 30 Å. Then, 7 barrier layers and 6 well layers are alternately stacked in the order of barrier + well + barrier + well... + Barrier, and an
The obtained LED element showed pure blue light emission of 470 nm at a forward current of 20 mA, and good results were obtained as in Example 1.
[0062]
[Example 3]
An LED element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(Active layer 7)
Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 250 angstrom, and subsequently the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used to undoped In0.3Ga0.7A well layer made of N is grown to a thickness of 30 Å. The
The obtained LED element showed pure blue light emission of 470 nm at a forward current of 20 mA, and good results were obtained as in Example 1.
[0063]
[Example 4]
An LED element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(Active layer 7)
Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 250 angstrom, and subsequently the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used to undoped In0.35Ga0.65A well layer made of N is grown to a thickness of 30 Å. Then, 7 barrier layers and 6 well layers are alternately stacked in the order of barrier + well + barrier + well... + Barrier, and an
The obtained LED element emits 500 nm of blue-green light at a forward current of 20 mA, and good results are obtained as in Example 1.
[0064]
[Example 5]
An LED element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(Active layer 7)
Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 250 angstrom, and subsequently the temperature is set to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used to undoped In0.35Ga0.65A well layer made of N is grown to a thickness of 30 Å. Then, four barrier layers and three well layers are alternately stacked in the order of barrier + well + barrier + well... + Barrier, and an
The obtained LED element emits 500 nm of blue-green light at a forward current of 20 mA, and good results are obtained as in Example 1.
[0065]
[Example 6]
An LED device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the n-side second multilayer film layer 6 was not grown.
The obtained LED element has a good light output compared to the conventional LED element although the element characteristics and the light output are slightly lower than those of Example 1.
[0066]
[Example 7]
An LED device was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the p-side multilayer clad
(P-side single film clad layer 8)
Using TMG, TMA, ammonia, Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) at a temperature of 1050 ° C., Mg is 1 × 1020/cmThreeDoped p-type Al0.16Ga0.84A p-side single film clad
Although the obtained LED element is grown as a single layer without using the superlattice as a cladding layer, the combination with the other layer constitutions is slightly inferior to the performance of Example 1, but almost the same good results. can get. In addition, a single layer is preferable because the manufacturing process can be simplified as compared with the case of using a multilayer film layer.
[0067]
[Example 8]
An LED element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the n-side first
(N-side first multilayer film layer 5)
An A layer made of an undoped GaN layer is grown to a thickness of 100 Å, and Si is 1 × 1018/ CmThreeDoped Al0.1Ga0.9The n-side first
The obtained LED element has substantially the same characteristics as in Example 1, and good results are obtained.
[0068]
[Example 9]
An LED element was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the n-
(N-side contact layer 4)
At 1050 ° C., TMG, ammonia gas as source gas, silane gas as impurity gas, Si 4.5 × 1018/cmThreeAn n-
The obtained LED element has substantially the same characteristics as in Example 1, and good results are obtained.
[0069]
[Example 10]
In Example 1, three kinds of LED elements are manufactured in the same manner except that the film thickness of the n-
The obtained LED element has substantially the same characteristics as in Example 1, and good results are obtained. In addition, when the film thickness is 4.25 μm and 5.25 μm, the electrostatic withstand voltage and the like are slightly in the example. Better than 1.
[0070]
[Example 11]
In Example 1, the n-side second multilayer film layer 6 is a second nitride semiconductor layer made of undoped GaN, and Si is doped with 5 × 10 17 / cm 3.0.13Ga0.87An LED element is fabricated in the same manner except that a multilayer film composed of a first nitride semiconductor layer made of N is used.
The obtained LED element exhibits substantially the same characteristics as in Example 1.
[0071]
[Example 12]
In Example 1, the p-side multilayer clad
The obtained LED element exhibits substantially the same characteristics as in Example 1.
[0072]
[Example 13]
In Example 1, the p-side multilayer clad
The obtained LED element exhibits substantially the same characteristics as in Example 1.
[0073]
【The invention's effect】
The nitride semiconductor device of the present invention can effectively exhibit the possibility of an active layer having a multiple quantum well structure by combining an active layer having a multiple quantum well structure with the specific layer configuration described above. It is possible to improve the light emission output and the electrostatic withstand voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LED element according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... sapphire substrate,
2 ... buffer layer,
3 ... undoped GaN layer,
4 ... n-side contact layer,
5 ... n-side first multilayer film layer,
6 ... n-side second multilayer film layer,
7 ... active layer,
8 ... p-side cladding layer,
9: Mg-doped p-side GaN contact layer,
10 ... p electrode,
11: n electrode.
Claims (6)
前記活性層が、InaGa1-aN(0≦a<1)層を含む多重量子井戸構造であり、
前記n側窒化物半導体層が、
n型不純物を含むn側コンタクト層と、
n型不純物が互いに異なる濃度でドープされている同一組成を有する少なくとも2種類の窒化物半導体層が積層されてなるn側第1多層膜層と、
Inを含む第1の窒化物半導体層と、その第1の窒化物半導体層と異なる組成を有する第2の窒化物半導体層とが積層されてなるn側第2多層膜層と、を含み、
前記基板上にバッファ層を介して前記n側コンタクト層、前記n側第1多層膜層、前記n側第2多層膜層、前記活性層が順に具備されていることを特徴とする窒化物半導体素子。In a nitride semiconductor device having an n-side nitride semiconductor layer, an active layer, and a p-side nitride semiconductor layer on a substrate,
The active layer has a multiple quantum well structure including an In a Ga 1-a N (0 ≦ a <1) layer;
The n-side nitride semiconductor layer is
an n-side contact layer containing an n-type impurity;
an n-side first multilayer film formed by laminating at least two types of nitride semiconductor layers having the same composition doped with n-type impurities at different concentrations;
A first nitride semiconductor layer containing In, and an n-side second multilayer film layer in which a second nitride semiconductor layer having a composition different from that of the first nitride semiconductor layer is stacked,
The nitride semiconductor comprising the n-side contact layer, the n-side first multilayer film layer, the n-side second multilayer film layer, and the active layer in this order on the substrate via a buffer layer element.
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